Фазовая диаграмма как функция полной плотности 𝑛 и доли протонов 𝑥 в N3LO. Фазы падения нейтронов и протонов обозначены областями, обведенными синей и красной линиями. Источник: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.232701.
Нейтронные звезды — экстремальные и загадочные объекты, которые астрофизики не могут увидеть внутри. Имея радиус около 12 километров, они могут иметь массу более чем в два раза больше Солнца. Вещество в них упаковано в пять раз плотнее, чем в атомном ядре; Вместе с черными дырами они являются самыми плотными объектами во Вселенной.
В экстремальных условиях материя может принимать экзотические состояния. Одна из гипотез заключается в том, что строительные блоки атомных ядер – протоны и нейтроны – деформируются в пластины и нити, похожие на лазанью или спагетти, поэтому эксперты говорят о «ядерных макаронах».
Исследователи из физического факультета Дармштадтского технического университета и Института Нильса Бора в Копенгагене теперь использовали новый теоретический подход для исследования состояния ядерной материи во внутренней коре нейтронных звезд. Они показали, что и нейтроны, и протоны могут «вытекать» из атомных ядер и стабилизировать «ядерную пасту». Они сообщают о своих результатах в Physical Review Letters.
Нейтронные звезды образуются, когда массивные звезды взрываются в виде сверхновой: в то время как внешние оболочки звезды выбрасываются в космос, ее внутренняя часть разрушается. Атомы буквально раздавливаются огромной гравитацией. Несмотря на отталкивание, отрицательно заряженные электроны прижимаются настолько близко к положительно заряженным протонам в атомном ядре, что превращаются в нейтроны.
Сильная ядерная сила предотвращает дальнейший коллапс. В результате получается объект, состоящий примерно на 95% из нейтронов и на 5% из протонов – «нейтронная звезда».
Исследователи из Дармштадта под руководством Ахима Швенка являются экспертами в области теоретической ядерной физики и, среди прочего, исследованиями нейтронных звезд. В своей нынешней работе они сосредоточены на коре этих экстремальных объектов. Потому что материя во внешней коре не такая плотная, как во внутренней, и там еще есть атомные ядра.
По мере увеличения плотности в атомных ядрах возникает избыток нейтронов. Нейтроны могут затем «капать» из ядер — явление, называемое «нейтронным капанием». Атомные ядра «плавают» в своеобразном нейтронном соусе.
«Мы задавались вопросом, могут ли протоны вытекать из атомных ядер так же, как и из них», — говорит Ахим Швенк. «В литературе нет ясности по этому вопросу», — продолжил физик. Команда под руководством Йонаса Келлера и Кая Хебелера из Дармштадтского технического университета и Кристофера Петика из Института Нильса Бора в Копенгагене рассчитала состояние ядерной материи в условиях коры нейтронной звезды.
В отличие от предыдущего, они рассчитали его энергию напрямую как функцию доли протонов. Они также включили в свои расчеты парные взаимодействия между частицами и между тремя нуклонами.
Метод оказался успешным: исследователям удалось продемонстрировать, что протоны также вытекают из атомных ядер внутренней коры. Так что «падение протона» действительно имеет место. Эта фаза, состоящая из протонов, существует параллельно нейтронам.
«Мы также смогли показать, что этот этап способствует развитию феномена ядерной пасты», — говорит Швенк. Благодаря протонам, добавленным в «соус», нуклоны могут лучше существовать в форме спагетти и лазаньи. Это позволило команде уточнить изображение ядерной материи в коре нейтронных звезд.
«Чем лучше мы сможем описать нейтронные звезды, тем лучше мы сможем сравнить их с астрофизическими наблюдениями», — говорит Швенк. Нейтронные звезды трудно понять с астрофизической точки зрения. Их радиус известен лишь косвенно благодаря гравитационному воздействию на другую нейтронную звезду. Можно наблюдать и другие явления, такие как пульсирующее радиоизлучение нейтронных звезд.
Результаты команды улучшают теоретическое понимание нейтронных звезд и помогают получить новое понимание этих загадок Вселенной посредством астрофизических измерений.
Информация от: Техническим университетом Дармштадта.
